第一章-计算机控制系统概述1

第一章

计算机控制系统概述主讲教师:都洪基南京理工大学.动力工程学院

2008.9《计算机控制技术》课程说明

《计算机控制技术》是电气工程及自动化专业的主干专业课之一。2、前续基础课程1、课程的性质.自动控制理论（经典/现代）.微机原理（单片机）与接口技术.程序设计技术（汇编、C/C++/VC、VB）3、指定参考书和阅读期刊参考书：

.谢剑英，《微型计算机控制技术》，国防工业出版社熊静琪，《计算机控制技术》，电子工业出版社

.何克忠，《计算机控制系统》，清华大学出版社

.王锦标，《计算机控制系统》，清华大学出版社

.孙增圻，《计算机控制理论及应用》清华大学出版社

1、计算机控制系统的基本概念计算机控制系统是以计算机为核心实现的自动控制系统。2、计算机的特点及应用范围计算机具有数据处理高速化，功能软件化，结构模块化，产品系列化和系统可靠等特点；计算机控制系统应用遍及整个自动控制领域，小到基于微处理器的小型智能仪表，大到基于计算机网络集控制、管理、决策为一体的广域控制系统；计算机控制系统有简单控制系统，也有复杂控制系统。本章主要内容1、计算机控制系统的组成2、计算机控制系统的种类3、计算机控制系统中的计算机4、计算机控制系统的发展趋势第一节计算机控制系统的组成

闭环控制系统开环控制系统

随动控制和程序控制属于这种控制系统。这种控制系统不能自动消除被控参数与给定值之间的误差。自动控制系统开环控制系统（2）开环控制系统框图

给定值

控制器

执行机构

被控对象

被控参数

图中给出了按偏差进行控制的闭环控制系统框图。这种控制系统具有较好的控制性能。闭环控制系统（1）闭环控制系统框图

给定值

控制器

执行机构

被控对象

被控参数

测量元件

变换发送

在上述控制系统中，用计算机代替模拟式控制器便形成了计算机控制系统。计算机控制系统的三个控制过程：(1)实时数据采集(2)实时控制决策(3)实时控制输出这三个过程在计算机中不断地重复，使系统能按照一定的动态性能指标工作

①实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。②实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。

③实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。

计算机控制系统硬件：软件：计算机、接口电路、外围设备和生产对象等组成。系统程序和应用程序一、计算机控制系统的硬件组成硬件主机过程通道I/O接口常用外部设备操作控制台计算机控制系统的硬件组成1.主机

主机，即我们说的计算机，是整个系统的核心部分，它的功能、性能直接影响到系统的优劣。主机单片机PLC工业PC

它完成程序和数据的存取，程序的快速执行；采集过程数据，并进行处理、分析判断和通信；根据控制决策，通过执行机构输出相应命令；通过操作控制台实现良好的人机联系。2.过程通道

过程通道是主机和被控过程进行信息交换的通道。过程通道模拟量输入通道模拟量输出通道开关量输入通道开关量输出通道脉冲量输入输出通道3.I/O接口I/O接口是主机和通道、外部设备进行信息交换的纽带。接口电路并行接口串行接口脉冲接口直接数据传送接口4.常用外部设备外部设备是为了扩大主机的功能而设置的，主要用来显示、打印、存储和传送数据。常用外部设备输入设备：输出设备：存储设备：键盘、扫描仪、纸带读入机和卡片读入机等，主要用于输入程序和数据。CRT显示器、打印机、记录仪、声光报警器等，主要用于显示、记录各种信息和数据。磁盘驱动器、光盘驱动器、优盘、磁带机等，主要用于存储程序和数据。5.操作控制台操作控制台是人机联系设备。信息显示信息记忆工作方式选择信息输入操作控制台的各组成部分都通过对应的接口电路与主机相连，由主机实现对各部分的管理。操作控制台控制系统的功能和性能依赖于软件水平的高低。所谓软件是指完成各种功能的计算机程序的总和，它分系统软件和应用软件两大部分。二、计算机控制系统的软件组成应用软件计算机控制系统软件是计算机运行操作的基础，是用于管理、调度、操作计算机各种资源，实现对系统监控与诊断，提供各种开发支持的程序。系统软件是用户根据控制对象、控制要求，为实现高效、可靠、灵活的控制而自行编制的各种程序。第二节计算机控制系统的分类在生产过程控制中，根据被控制对象的特点和控制功能，采用相应类型的计算机控制系统。计算机控制系统有各种各样的结构和形式，按完成的功能和结构，可分为：

计算机控制系统操作指导控制系统直接数字控制系统监督控制系统集散控制系统现场总线控制系统计算机集成制造系统

操作指导控制系统，又称为计算机数据采集与处理系统，主要是对过程参数进行采集、处理，分析计算各性能指标，生成各种操作指导建议，并输出数据和各种图表等。一、操作指导控制系统其分析和输出的结果，为操作人员进行操作提供了依据，对过程的控制是由操作人员来完成的。定义：计算机测得的信号数据，根据一定的控制算法，计算出可供操作人员选择的最优操作条件及操作方案。

优点：

这种控制系统的优点是比较灵活、简单，且安全可靠，若操作人员认为计算机给出的操作指导方案不合适，可不予采用。缺点：

需人工操作，速度受到限制，实时性差，只能由人工干预控制。适用范围：

对于某些生产过程的控制规律尚未彻底了解的情况；用于试验新的数学模型和调试新的控制程序等。二、直接数字控制系统（简称DDC系统）定义：计算机首先通过模拟量输入通道、开关量输入通道实时采集数据，然后按照一定的控制规律进行计算，最后发出控制信息，并通过模拟量输出通道、开关量输出通道直接控制生产过程。直接数字控制系统结构优点：

系统灵活性大、可靠性高，并且能实现各种先进的复杂控制和智能控制方式。缺点：结构复杂，投资高。应用范围：DDC系统在生产过程控制中有着广泛的应用。三、计算机监督控制系统计算机监督控制系统（SupervisoryComputerControl），简称SCC，是一个两级控制系统。计算机监督控制系统结构图（a)图（b)SCC特点：（1）一台SCC计算机可监督多台DDC或模拟调节器，而一台DDC可控制多个回路和参数，使多台DDC或模拟调节器能协调工作。（2）当系统中模拟调节器或DDC控制器出了故障，可用SCC系统代替调节器进行调节，提高了系统的可靠性。定义：计算机根据原始工艺信息和其它参数，按照描述生产过程的数学模型或其它方法，自动地改变模拟调节器或以直接数字控制方式工作的微型机中的给定值，从而使生产过程始终处于最优工况(如保持高质量、高效率、低消耗、低成本等等)。四、集散控制系统集散控制系统（TotalDistributedControl—TDC）也称为分布式控制系统或分散式控制系统（DistributedControlSystem—DCS），采用了分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，形成具有层次化体系结构的分级分布式控制。

集散控制系统一般分为三级（1）过程控制级（2）集中操作监控级（3）综合信息管理级集散控制系统结构（1）过程控制级是DCS的基础，用于直接控制生产过程。（2）集中操作监控级用于监视控制各站点的所有信息，实现信息的集中显示和对生产过程的集中控制操作，实现对各控制回路的组态、参数的设定和修改以及实现优化控制等。（3）综合信息管理级一般采用大、中型计算机作为管理计算机，根据监控级提供的信息及生产任务的要求，向决策者提供各种信息，如生产计划、调度和管理方案，实现生产、人、财、物等的综合管理和办公自动化。（例如EMS系统等）特点：①分散过程控制级：这是最底层，直接和现场控制点打交道；②集中操作控制级：集中在控制室通过显示屏等几种监控、操作③综合信息管理级：实现整个企业的综合信息、管理，主要执行生产管理和经营管理功能，能够提供管理决策信息。过程控制级集中操作监控级综合信息管理级五、现场总线控制系统现场总线控制系统（FieldbusControlSystem—FCS）是20世纪90年代兴起的新型计算机控制系统，已广泛应用在工业生产过程自动化领域。FCS特点：（1）FCS系统采用了规范的全开放式总线标准、通信协议，所有符合标准的产品都可互连，共享网络资源，实现相互操作，统一组态。（2）FCS系统适应了目前工业界对数字通信和自动控制的需求，通过网络连接器，可将该控制系统与其他的现场总线控制系统直至Internet网互连构成不同层次的复杂控制网络，成为今后工业控制体系结构的发展方向之一。

FCS系统是用现场总线将各智能现场设备、各级计算机和自动化系统互连，形成一个数字式、全分散、双向串行传输、多分支结构、多点通信的通信网络。

新一代分布式控制系统，采用“工作站---现场总线智能仪表”二层结构，国际标准统一后，可实现真正的开放式互连系统结构。主要有五种现场总线：

CAN总线（controllerareanetwork,控制器局域网络）

LONGWORKS总线(localoperatingnetwork局部操作网络)

PROFIBUS

(processfieldbus过程现场总线)

HATR总线（可寻址远程传感器数据网络）

FF总线（基金会现场总线）2.按照控制规律分类（1）数字程序和顺序控制（2）比例积分微分控制（PID控制）（3）最小拍控制（4）复杂规律的控制（5）智能控制

……（1）程序和顺序控制

定义：程序控制是被控制量按照一定的、预先规定的时间函数变化，被控制量是时间函数的变化。

顺序控制是程序控制的扩展，在各个时期所给出设定值可以是不同的物理量，而且每次设定值的给出，不仅取决于时间，还取决于对以前的控制结果的逻辑判断。（2）比例积分微分控制（PID控制）

定义：调节器的输出是调节器输入的比例、积分和微分的函数。

PID控制是现在应用最广、最为广大工程技术人员熟悉的技术。PID控制结构简单、参数容易调整，因此，无论模拟调节器或者数字调节器，多数使用PID调节规律。（3）最小拍控制

最小拍控制的性能指标是要求设计的系统在尽可能短的时间内完成调节过程。最小拍控制通常用在数字随动系统的设计中。

（4）复杂规律的控制

在PID控制的基础上，引进了各种复杂规律的控制，比如串级控制、前馈控制、纯滞后补偿、解偶控制、最优控制、自适应控制等，组成复杂控制系统。目的：是为了解决随机扰动问题，使系统控制达到满意的性能指标。（5）智能控制

智能控制把先进的方法学理论与解决当前技术问题所需要的系统理论结合起来的学科。可以看成三个主要理论领域的交叉或会合，即：人工智能运筹学控制论3.按照控制方式分类按照控制方式的不同，计算机控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。第三节计算机控制系统中的计算机（1）单片微型计算机；（2）PLC；（3）工业PC；在工程实际中，选择何种机型，应根据控制规模、工艺要求和控制特点等来确定。在计算机控制系统中，常用的典型机型有：一、单片微型计算机单片微型计算机，简称单片机，是一种内含有微处理器的特殊超大规模集成电路。它是将CPU、存储器、I/O接口、定时器/计数器、甚至A/D转换器等部件集成在一个大规模集成电路芯片上，具有很强控制功能的微型计算机。

单片机分类：按位数分按功能分按生产厂家4位机；8位机；16位机；32位机；带A/D转换器；硬件定时监视器；增加型串行口；全局串行通道；显示器（LED或LCD）驱动电路；脉宽调制输出电路PWM；模拟多路转换开关；串行外设接口电路I2C等的单片机；有Intel公司的MCS系列；Motorola公司的M68HC系列；Microchip公司的PIC系列；Zilog公司的Z系列；Philips公司；Atmel；NEC公司；单片机的应用软件编程语言：（1）面向机器的汇编语言；（2）高级语言，如BASIC、PL/M和C语言等

由于单片机是面向控制设计的，专用性强、内存容量小，因此，单片机本身不具备自开发功能，必须借助于仿真器或开发系统与单片机联机，才能进行软、硬件的开发与调试。二、可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicalController），简称可编程控制器，即PLC，是继电逻辑控制与计算机技术相结合的产物。早期主要用于开关控制，具有逻辑运算、计时、计数等顺控功能。随着PLC的发展，其功能已不再限于逻辑运算，具有连续模拟量处理、高速计数、远程I／O和网络通信等功能。

PLC是一种数字运算操作系统，专为工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算木运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC具有如下特点：（1）可靠性高PLC集成度高；采用了冗余措施和容错技术；输入输出采用了屏蔽、隔离、滤波、电源调整与保护等措施，提高了抗工业环境干扰的能力。（2）编程容易PLC大多采用类似继电器控制电路图形式的梯形图及命令语句进行编程。如通过上位机进行梯形图编程，程序直接下传，使编程更容易、更方便。（3）功能完善

PLC除了具有逻辑运算、计时、计数、步进控制功能，还能完成A／D、D／A转换、模拟量处理、高速计数和联网通信等功能，还可以通过上位机进行显示、报警、记录、进行人－机对话等。（4）扩展灵活由于PLC采用积木式结构，用户可根据实际的I/O点数和不同输入输出方式需要等，选择所需的功能模板，便可获得相应的功能和规模。系统的配置可从几个I/O点的小型系统到几千个点的超大型系统，组合非常方便。（5）安装调试简单方便当用PLC构成控制系统时，只需把检测器件与执行机构和PLC的I/O接口端子正确连接，用简单的编程方法将程序存入存储器内，即可正常工作。

PLC的输出可直接驱动执行机构，中间一般不需要设置转换单元。

PLC能事先进行模拟调试，减少了现场的调试工作量。

PLC的监视功能很强，模块化结构大大减小了维修量。PLC分类：按容量来分按结构来分按功能来分小型PLC；中型PLC；大型PLC整体式PLC；模块式PLC；叠装式PLC；低档PLC；中档PLC；高档PLC（1）低档PLC

低档PLC主要是进行逻辑控制，它的输入/输出适合于开关量、继电器、接触器等场合。这类PLC结构小巧，价格低廉，适用于单机顺序控制系统。（2）中档PLC

中档PLC除开关量控制功能外，还有模拟量I/O接口，实现对模拟量的检测和调节。

中档PLC的控制点数较低档PLC多。且软件更为丰富，其内部有很多运算模块，如PID运算、二进制/BCD转换、平方根、查表等。

这种PLC不仅可用于开关量控制系统，而且可用于中、小型生产过程控制系统中。（3）高档PLC

高档PLC具有计算、控制和调节功能，具有网络结构和通信联网能力，控制点数达1000点以上。高档PLC可以和计算机系统联网，可实现管理和控制一体化，与办公自动化系统连网，成为工厂自动化的重要设备。

PLC在工业控制中得到了广泛的应用，几乎覆盖了所有工业控制领域，有着很好的发展前景。

国内外生产PLC的厂家有很多，如：日本三菱的F、F1、F2、FX系列，日本立石（OMRON）的C系列，西门子的S系列，美国GE公司的GE-I系列，美国MIDICON公司的984系列等。三、工业控制机

工业控制机，简称工控机，是一种面向工业控制、采用标准总线技术和开放式体系结构的计算机。按照统一的总线标准，各计算机厂家或研制单位可设计和生产出具有特定功能的模板，系统设计人员可根据不同的需要，选用相应的功能模板组合成所需的计算机控制系统。工控机中的总线分内部总线和外部总线。

内部总线是计算机内部功能模板之间进行通信的总线，按功能可分为数据总线、地址总线、控制总线和电源总线四部分，每种型号的计算机都有自身的内部总线。外部总线是计算机与计算机之间或计算机与其它智能设备之间进行通信的连线，常用的外部总线有IEEE-488并行总线和RS-232C串行总线。工控机控制系统的组成STDIEEE-488RS-232C工控机的特点：（1）小板结构模块化设计；（2）标准化及兼容性；（3）完善的I/O通道；（4）环境适应能力强、可靠性高；（5）软件丰富；（组态软件）

工控能满足不同层次、不同控制对象的需要，又能在恶劣的工业环境中可靠地运行，应用极为广泛。目前我国工控领域的主要机型有STD总线工控机和工业PC。

STD总线工控机是20世纪80年代发展起来的，曾在20世纪80年代末和20世纪90年代初得到广泛的应用。工业PC是一种融PC机软硬件资源与STD工控机结构为一体的新型工业控制机，继承了PC机丰富的软件资源，使其软件开发更加方便，同时，在结构上采用了STD总线工控机的优点，实现模块化。随着个人计算机的不断升级，工业PC的性能也会相应提高，因此，工业PC具有很好的发展前景。在实际应用中，应根据应用规模、控制目的和控制需要等选用不同的计算机，如：（1）对于小型控制系统、智能仪表及智能化接口，尽量采用单片机模式；（2）对于新产品开发或用量较大，为降低成本，也可采用单片机模式；（3）对于中等规模的控制系统，为加快系统的开发速度，尽量选用现成的工业控制机，如PLC、STD总线工控机、工业PC等，应用软件可自行开发；（4）对于大型的生产过程控制系统，最好选用工业PC、专用DCS或FCS，软件可自行开发或购买现成的组态软件。第四节计算机控制系统的发展趋势

一、单片机（微处理器）组成的控制系统日趋先进（1）新型单片机和各种可编程功能芯片的出现更加有利于系统设计和控制功能的提高。（2）数字信号处理芯片（DSP—DigitalSignalProcessor）以其更快的运行速度和更强的计算能力正在很多场合替代传统的单片机。（3）各种专用的集成控制模块（如电机控制模块、调节阀控制模块、显示模块等）正在逐步取代微机控制系统中的分立元件。（4）在扩展内存的基础上大量使用各种先进的控制策略和控制算法以提高控制质量。二、可编程逻辑控制器（PLC）得到广泛应用现代PLC的发展有两个重要趋势：其一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；其二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能性方面发展。具体有以下几个方面：（1）大型网络化。

主要是朝DCS方向发展，使其具有DCS系统的一些功能。（2）多功能。随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制、仿真、通信处理和故障诊断等模块的出现，使PLC控制领域更加宽广。（3）高可靠性。一些公司已将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，推出了高可靠性的冗余系统，并采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。即使在恶劣、不稳定的工作环境下，坚固、全封闭的模板依然能正常工作。在操作运行过程中，有些PLC的模板还可热插拔。三、推广使用新型的集散控制系统（DCS）

DCS是采用标准化、模块化和系列化的设计,由过程控制级、控制管理级和生产管理级组成的一个以通讯网络为纽带的集中显示，而操作管理和控制相对分散，配置灵活、组态方便、具有高可靠性的实用系统。总的发展趋势可体现在如下几个方面：（1）开放性；（2）大力发展和完善DCS的通信功能，并将生产过程控制系统与工厂管理系统联结在一起，形成管控一体的系统产品；（3）高度重视系统的可靠性，在软件的设计中采用容错技术；（4）在控制功能中，不断引进各种先进控制理论，以提高系统的控制性能；（5）在系统规模和结构上，形成由小到大的产品，以适应不同规模的需求；（6）发展以先进网络通信技术为基础的DCS控制结构，向低成本综合自动化系统的方向发展。四、大力发展和采用现场控制总线技术

现场总线是一种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式，数字化，双向串行，多节点的通信总线。现场总线技术使得从智能传感器到智能调节阀，信号一直保持数字化，从而极大地提高了抗干扰能力。现场总线是一种开放式的互联网，它可与同层网络相连，也可与不同层网络相连，只要配有统一的标准数字化总线接口并遵守相关通信协议的智能设备和仪表，都能并列地接入现场总线。

由于具有降低成本、组合扩展容易、安装及维护简便等显著优点，从问世开始就在生产过程自动化领域引起极大关注。现场总线控制系统是继DCS之后计算机控制系统的又一次重大变革，必将成为工业自动化的发展主流。

五、大力研究和发展智能控制系统智能控制的研究范围很广泛，普遍认为模糊逻辑控制、专家控制和神经网络控制是三种典型的智能控制。1、模糊控制系统模糊控制是一类应用模糊集理论的控制方法。一方面模糊控制提供一种实现基于知识（规则）的控制规律的新机理；另一方面，模糊控制提供了一种改进非线性控制器的替代方法。模糊控制可采用软件实